摘 要：為提高病害路面修復(fù)效率和修復(fù)效果，利用礦渣、粉煤灰、偏高嶺土、堿激發(fā)劑等材料制備一種早期強(qiáng)度高、收縮性小、工作性能優(yōu)異的地聚合物，并將其應(yīng)用到實(shí)際工程中。結(jié)果表明，當(dāng)采用礦渣∶粉煤灰∶偏高嶺土=3∶5∶2制備地聚合物粉料時(shí)，堿最佳摻量為8%，堿激發(fā)劑最佳模數(shù)為1.4，最佳水灰比為0.32；最佳注漿參數(shù)為：注漿壓力0.6 MPa，注漿孔距為150 cm，注漿量為70～120 kg/m2；利用制備的地聚合物對某病害路段進(jìn)行注漿加固處理，加固完成7 d后，可以將加固路段的平均彎沉值從39.1 mm降至21.8 mm，路面結(jié)構(gòu)得到有效加強(qiáng)，加固效果良好，具有十分明顯的社會(huì)和工程經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：地聚合物；病害路段；模數(shù)；水灰比；注漿參數(shù)；加固處理

中圖分類號(hào)：

U418；TQ316.342

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

A文章編號(hào)：

1001-5922（2024）01-0086-04

Preparation process of" geopolymer grouting material and its application in reinforcement of diseased highways

LIU Baolong

（China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi’an 710043，China）

Abstract：In order to improve the efficiency and effectiveness of repairing damaged road surfaces，a geopolymer with high early strength，low shrinkage，and excellent working performance was prepared by using materials such as slag，fly ash，metakaolin and alkali activator，and applied to practical engineering.The results showed that when slag： fly ash： metakaolin=3∶5∶2 was used to prepare geopolymer powder，the optimal alkali content was 8%，the optimal modulus of alkali activator was 1.4，and the optimal Water-cement ratio was 0.32.The optimal grouting parameters were as follows： grouting pressure of 0.6 MPa，grouting hole spacing of 150 cm，and grouting volume of 70～120 kg/m2.The prepared geopolymer was used for grouting and reinforcement of a diseased road section，after 7 days of reinforcement，the average deflection of the reinforced road section reduced from 39.1 mm to 21.8 mm，the pavement structure was effectively strengthened，and the reinforcement effect was good.It has obvious social and engineering economics benefits.

Key words：geopolymer;damagedroad sections;modulus;water-cement ratio;grouting parameters;reinforcement treatment

交通負(fù)荷過重導(dǎo)致路面經(jīng)常出現(xiàn)脫空等破壞病害現(xiàn)象，傳統(tǒng)注漿加固后新老路面間易出現(xiàn)不均勻沉降和開裂，注漿材料的整體性和穩(wěn)定性得不到有效保障。地聚合物作為一種堿激發(fā)膠凝材料，能夠與周圍材料粘接形成強(qiáng)度較高的結(jié)石體，相比傳統(tǒng)注漿材料，具有早期強(qiáng)度高、收縮性小、耐久性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還能減少對環(huán)境的破壞和污染，是一種綠色注漿材料［5-7］。地聚合物目前已經(jīng)在一些工程中得到應(yīng)用，但是在病害公路加固治理中的應(yīng)用還不太成熟，有必要針對具體工程展開專項(xiàng)研究［8-12］?；诖耍_展了地聚合物配合比和注漿參數(shù)的試驗(yàn)研究，以期能為病害公路注漿加固治理提供借鑒。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

注漿材料主要原材料包括礦渣、粉煤灰和偏高嶺土，堿激發(fā)劑為水玻璃。礦渣的主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3和CaO，粒徑范圍為8～32 μm；粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰，主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3，粒徑小于10 μm，偏高嶺土主要化學(xué)成分也為SiO2、Al2O3，細(xì)度為1 250目。根據(jù)前期試驗(yàn)成果，按照礦渣粉∶粉煤灰∶偏高嶺土=3∶5∶2的質(zhì)量比例將3者混合均勻待用。水玻璃中的Na2O與SiO2的摩爾比（模數(shù)）為3.3，固含量為34%，在配制地聚合物過程中，需要利用NaOH和去離子水對水玻璃模數(shù)進(jìn)行調(diào)配。

1.2 配合比方案

試驗(yàn)探討了堿摻量、堿激發(fā)劑模數(shù)以及水灰比對地聚合物性能的影響，堿摻量分為6%和8 %2種，堿激發(fā)劑模數(shù)分為1.4、1.6和1.8 3種，水灰比分為0.28、0.3和0.32。地聚合物注漿材料配合比方案見表1。

1.3 制備工藝

地聚合物制備工藝流程：（1）將礦渣粉、粉煤灰以及偏高嶺土混合均勻，然后將其研磨成地聚合物粉體；（2）將NaOH、水玻璃和去離子水按照設(shè)計(jì)比例高速攪拌均勻，靜置后得到堿激發(fā)劑；（3）將地聚合物粉體和堿激發(fā)劑進(jìn)行混合攪拌（先慢速攪拌2 min，再快速攪拌3 min），制得地聚合物；（4）對漿液的凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)度、泌水率、膨脹率和凝固后的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 凝結(jié)時(shí)間

不同地聚合物配合比下的凝結(jié)時(shí)間變化關(guān)系見圖1。

由圖1可知，當(dāng)堿摻量和堿激發(fā)劑模數(shù)一定時(shí)，地聚合物的凝結(jié)時(shí)間隨著水灰比增大而逐漸增大；相同水灰比下，堿摻量越高，凝結(jié)時(shí)間越短；當(dāng)水灰比和堿摻量一定時(shí)，堿激發(fā)劑的模數(shù)越大，凝結(jié)時(shí)間越長；即地聚合物從開始凝結(jié)到完全凝結(jié)的時(shí)間應(yīng)控制在60～120 min。綜上分析可知，當(dāng)堿激發(fā)劑模數(shù)為1.4、水灰比為0.28時(shí)，無論摻入6%還是8%的堿，凝結(jié)時(shí)間均不滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 流動(dòng)度

不同地聚合物配合比下的流動(dòng)度變化關(guān)系見圖2。

從圖2可知，相同堿激發(fā)劑模數(shù)和堿摻量下，地聚合物的初始流動(dòng)度和30 min后流動(dòng)度隨水灰比增大而逐漸增大；同等堿激發(fā)劑模數(shù)和水灰比下，堿摻量越多，流動(dòng)度越小，但是在低模數(shù)時(shí)，這種不規(guī)律不是很明顯，尤其是水灰比小于等于0.3時(shí)，6%堿摻量的流動(dòng)度反而低于了8%堿摻量的流動(dòng)度；相同堿摻量和水灰比情況下，模數(shù)越高，流動(dòng)度越小。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，地聚合物的初始流動(dòng)度要求在14～22 s，從試驗(yàn)結(jié)果來講，所有試驗(yàn)組均滿足規(guī)范要求，為了追求更高的工作性能，宜選擇水灰比為0.32的試驗(yàn)組進(jìn)行配制。

2.3 泌水率和膨脹率

根據(jù)地聚合物凝結(jié)時(shí)間和流動(dòng)度測試結(jié)果，認(rèn)為當(dāng)水灰比為0.32時(shí)，各試驗(yàn)組的性能最佳，故僅對水灰比為0.32的試驗(yàn)組進(jìn)行泌水率和膨脹率測試，結(jié)果見表2。

從表2可知，當(dāng)水灰比和堿摻量一定時(shí)，只有模數(shù)為1.8 的試驗(yàn)組出現(xiàn)了泌水現(xiàn)象，6%和8%堿摻量下泌水率分別為0.02%和0.01%，從膨脹率來講，膨脹率均小于1%，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，因此堿激發(fā)劑模數(shù)不宜超過1.6。

2.4 抗壓強(qiáng)度

水灰比為0.32時(shí)，不同地聚合物配合比下的抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果見圖3。

由圖3可知，相同堿摻量下，隨著堿激發(fā)劑模數(shù)的增大，地聚合物的強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)模數(shù)由1.4增至1.6后，6%和8%堿摻量下的強(qiáng)度分別降低了4.3%和6.3%；當(dāng)模數(shù)由1.6增至1.8后，6%和8%堿摻量下的強(qiáng)度分別降低了20%和19.5%。由此可見，從強(qiáng)度上來講，堿激發(fā)劑模數(shù)不宜超過1.6；相同模數(shù)下，堿摻量為8% 的地聚合物強(qiáng)度略高于6%堿摻量，這是因?yàn)樗冶纫欢ǖ那闆r下，模數(shù)越高，堿含量越低，那么參與反應(yīng)的堿物質(zhì)將越少，很難對地聚合物的強(qiáng)度起到促進(jìn)作用。

2.5 配合比優(yōu)選

通過對凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)度、泌水率、膨脹率以及抗壓強(qiáng)度的綜合對比，認(rèn)為當(dāng)?shù)V渣∶粉煤灰∶偏高嶺土=3∶5∶2時(shí)，堿激發(fā)劑的最佳模數(shù)為1.4，堿的最佳摻量為8%，最佳水灰比為0.32，采用慢速攪拌2 min，再快速攪拌3 min的方式，此時(shí)地聚合物的綜合性能最優(yōu)。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

陜西省西安市某城市次干路建成于2002年，設(shè)計(jì)時(shí)速為40 km/h，雙向4車道，路面總寬度29.5 m。對路面進(jìn)行了承載力調(diào)查和層間脫層調(diào)查，路面平均彎沉值達(dá)到39.1 mm，表明該次干路路面已經(jīng)發(fā)生了較大程度的強(qiáng)度損失。通過鉆芯取樣，發(fā)現(xiàn)面層瀝青平均厚度為10 cm，部分地區(qū)瀝青層間發(fā)生了脫離；同時(shí)通過現(xiàn)場調(diào)查還發(fā)現(xiàn)了縱向裂縫、沉陷、坑槽等其他病害。通過調(diào)查得出該路段機(jī)動(dòng)車道總體情況較差，需要對其進(jìn)行改造處置，由于該路段處于城市核心區(qū)，交通任務(wù)繁重，不能長時(shí)間封閉施工，因而經(jīng)與項(xiàng)目部溝通協(xié)商，決定采用早強(qiáng)型地聚合物對病害路段進(jìn)行注漿加固處理，以便在完成施工后盡快恢復(fù)交通。

3.2 注漿加固處置方案

處置方案大體上分為2種情況：（1）機(jī)動(dòng)車道一般路段。一般路段是指表面未發(fā)生明顯的病害現(xiàn)象，但經(jīng)彎沉檢測不合格的路段，對于一般路段主要是針對原12%石灰土底基層（厚度22 cm）以及原二灰碎石基層（厚度20 cm）進(jìn)行地聚合物注漿加固，注漿加固完成后再依次鋪設(shè)瀝青透層、瀝青封層、8 cm厚度的AC-20C瀝青砼以及4 cm厚度的AC-13C瀝青改性料。（2）機(jī)動(dòng)車道病害路段即出現(xiàn)明顯病害現(xiàn)象的路段。對于這些路段，需對原12%石灰土底基層（厚度22 cm）以及原二灰碎石基層（厚度20 cm）進(jìn)行地聚合物注漿加固，再在其上騎縫鋪設(shè)聚酯布，再依次鋪設(shè)瀝青透層、瀝青封層、8 cm厚度的AC-20C瀝青砼以及4 cm厚度的AC-13C瀝青改性料。

注漿加固處置方案示意見圖5。

3.3 注漿加固參數(shù)

在工程現(xiàn)場選取了9個(gè)路段進(jìn)行前期注漿參數(shù)試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

由表3可知，當(dāng)注漿壓力為0.4 MPa時(shí)，注漿量只有達(dá)到170 kg/m2才能達(dá)到較好的注漿加固效果，注漿壓力太小無法使?jié){液充分?jǐn)U散到脫空位置和深處裂縫位置；當(dāng)注漿壓力為0.6 MPa時(shí)，注漿量在70 kg/m2，就能達(dá)到較好注漿效果，注漿量達(dá)到120 kg/m2后，注漿效果評級(jí)為優(yōu)；當(dāng)注漿壓力為0.8 MPa時(shí)，注漿量在70～120 kg/m2的效果還不如0.6 MPa，只有注漿量達(dá)到170 kg/m2后，注漿效果才能評級(jí)為優(yōu)。綜上分析，認(rèn)為最佳注漿壓力為0.6 MPa，注漿孔距為150 cm，注漿量為70～120 kg/m2，注漿深度設(shè)計(jì)為0.8～1.2 m。

3.4 加固效果

對已經(jīng)完成加固注漿（7 d后）路段每隔20 m進(jìn)行一次彎沉值檢測，結(jié)果見圖4。

由圖4可知，在注漿加固前，該路段的平均彎沉值為39.1 mm，最大彎沉值達(dá)到68 mm，最小的也有30 mm，大于等于35 mm的占比達(dá)到73.7%。在采用地聚合物進(jìn)行注漿加固后，平均彎沉值下降至21.8 mm，且全部彎沉值均小于35 mm，而且通過探坑觀測法對加固路段進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)在脫空區(qū)域、碎石基層和底基層之間均發(fā)現(xiàn)有明顯的注漿材料，不存在松散現(xiàn)象。這說明地聚合物增強(qiáng)了層間粘接性，起到了結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)作用，有效提高了路面的承載力。

3.5 社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）社會(huì)效益：地聚合物注漿加固技術(shù)具有快速修復(fù)能力強(qiáng)，對交通干擾小，工期短等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還充分利用了礦渣、粉煤灰等工業(yè)廢料，節(jié)約水泥等注漿材料，具有綠色環(huán)保的特性，而且注漿加固技術(shù)避免對路面造成進(jìn)一步的破壞，減少了路面揚(yáng)塵，保護(hù)了環(huán)境；

（2）經(jīng)濟(jì)效益：傳統(tǒng)銑刨加鋪方案的處理費(fèi)用為385元/m2，而且需要在基層施工7 d后才能進(jìn)入后續(xù)工序。地聚合物注漿加固方案處理費(fèi)用為373元/m2，僅需注漿1 d后就可進(jìn)入下一道工序，具有更加明顯的工程經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

（1）當(dāng)堿激發(fā)劑模數(shù)（1.4）和水灰比（0.28）過低時(shí)，注漿料的初凝時(shí)間太短，當(dāng)堿激發(fā)劑模數(shù)達(dá)到1.8后，注漿料會(huì)出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，且當(dāng)模數(shù)大于1.6后，注漿料的強(qiáng)度會(huì)明顯降低;

（2）當(dāng)采用礦渣∶粉煤灰∶偏高嶺土為3∶5∶2進(jìn)行時(shí)，堿激發(fā)劑的最佳模數(shù)為1.4，堿的最佳摻量為8%，最佳水灰比為0.32;

（3）通過現(xiàn)場試驗(yàn)，確定出最佳注漿參數(shù)：注漿壓力為0.6 MPa，注漿孔距為150 cm，注漿量為70～120 kg/m2;

（4）將地聚合物應(yīng)用到某病害路段加固中，病害路段的平均彎沉值從39.1 mm降至21.8 mm，且層間脫空現(xiàn)象明顯減少，路面結(jié)構(gòu)得到有效增強(qiáng)，加固效果良好，相比傳統(tǒng)銑刨加鋪技術(shù)，具有更好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

【參考文獻(xiàn)】

［1〗 楊凱，朱小明，雒成賢，等.甘肅公路隧道病害主要類型及養(yǎng)護(hù)對策研究［J］.公路，2023，68（1）：378-385.

［2〗 帥一師，周亮.高速公路服役連續(xù)梁橋質(zhì)量評價(jià)及病害修復(fù)［J］.公路工程，2021，46（3）：308-313.

［3〗 李杰.公路下伏急傾斜煤層采空區(qū)全充填壓力注漿加固技術(shù)研究［J］.中外公路，2022，42（3）：26-29.

［4〗 高勇.道路非開挖注漿加固技術(shù)研究綜述［J］.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，39（1）：13-19.

［5〗 范利丹，楊杰，余永強(qiáng)，等.基于響應(yīng)面法的地聚合物注漿材料配比優(yōu)化及其微觀結(jié)構(gòu)［J/OL］.工業(yè)建筑：1-9.

［6〗 盧海峰，易金龍，賀棟，等.底泥基地質(zhì)聚合物注漿材料制備試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2022，41（12）：2567-2578.

［7〗 吳求剛，趙恒，王新富，等.硅灰對粉煤灰-磷尾礦基地聚物注漿材料泛堿的影響研究［J］.中國陶瓷，2022，58（8）：38-45.

［8〗 袁衛(wèi)鎖.水泥路面加寬拼接縫水泥注漿補(bǔ)強(qiáng)效果的檢測與評價(jià)［J］.中外公路，2022，42（05）：56-60.

［9〗 陳潔華，方偉，康杰.用于道路修復(fù)的地聚合物注漿材料基本性能試驗(yàn)研究［J］.公路交通技術(shù)，2023，39（1）：41-47.

［10〗 陳治君，張振興，王安書.道路工程用聚合物水泥復(fù)合乳化瀝青注漿材料研究［J］.新型建筑材料，2022，49（7）：133-137.

［11〗 高昊鵬，朱苦竹.地聚物砂漿在道路加固中的應(yīng)用與研究［J］.粉煤灰綜合利用，2019，No.178（6）：89-92.

［12〗 胡青，張業(yè)茂.水泥混凝土路面聚合物修補(bǔ)砂漿的制備與力學(xué)性能研究［J］.化學(xué)與粘合，2022，44（1）：54-57.